专利名称：多段式风力涡轮机转子叶片及结合该叶片的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力涡轮机，且更具体地涉及具有以多于一
个段构造的转子叶片的风力涡轮机。
背景技术：
近来，风力涡轮机作为环境安全和相对便宜的替代能量 源已获得更多的关注。随着这种日益增长的兴趣，已做了相当大的努 力，以发展可靠而有效的风力涡轮机。通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装 在位于桁架或管状塔架顶部的壳体或短舱内。公用级的风力涡轮机 (即，设计用来向公用电网提供电力的风力涡轮机)可具有大的转子(例 如，直径达30米及以上)。这些转子上的叶片将风能转换成驱动一个 或多个发电机的旋转力矩或者旋转力，发电机通过低速轴和/或齿轮箱 旋转地联接到转子上。可选的齿轮箱可用来将涡轮机转子固有的低旋 转速度逐步提升，以使发电机有效地将机械能转换成送入公用电网的 电能。 一些涡轮机(即直接驱动)采用直接联接到转子上的发电机而不 采用齿轮箱。 随着风力涡轮机的发电容量增加，它们的转子叶片和其 它构件的尺寸也增加。有时可能会超出实际的运输和物流限制。这些 非技术的限制导致对陆上风力涡轮机的额定产能的约束。
发明内容
在一方面，本发明提供了一种用于风力涡轮机的多段式 叶片，该多段式叶片包括至少一个不可倾斜段(non-pitchable section) 和至少一个可倾斜段(pitchable section)。该不可倾斜段构造成被固定到
4风力涡轮机的轮毂上。该可倾斜段构造成绕倾斜轴线(pitch axis)旋转， 该倾斜轴线基本上平行于该多段式叶片的翼展。倾斜轴承和倾斜马达 位于叶片中，并靠近不可倾斜段与可倾斜段的界面。在另一方面，本发明提供了一种具有多个多段式叶片的 风力涡轮机。该风力涡轮机包括与低速轴一体地形成的轮毂。该叶片 包括至少一个不可倾斜叶片段和至少一个可倾斜叶片段，该至少一个 不可倾斜叶片段构造成被固定到轮毂上。该可倾斜叶片段构造成绕倾 斜轴线旋转，并且该倾斜轴线定向成基本上平行于组装好的叶片的翼 展。该叶片还包括用于使可倾斜段绕倾斜轴线旋转的倾斜装置，而该 倾斜装置位于该多段式叶片中且靠近不可倾斜叶片段与可倾斜叶片 段的界面。 在又一方面，本发明提供了一种用于风力涡轮机的多段 式叶片，该多段叶片包括至少一个空气动力外形的不可倾斜段，该不 可倾斜段构造成被固定到风力涡轮机的轮毂上。至少 一个可倾斜段构 造成绕倾斜轴线旋转，并且该倾斜轴线定向成基本上平行于该多段式 叶片的翼展。用于使该可倾斜段绕倾斜轴线旋转的倾斜装置位于该多 段式叶片中，并靠近不可倾斜段与可倾斜段的界面。
图l是本发明的风力涡轮机构造的示范性构造的图解。
图2是可用于图1中的风力涡轮机的多段式叶片的侧视 图的图解。图3是根据本发明的另一实施例的多段式叶片的侧视图 的图解。
零件列表
100风力涡轮机
102短舱
5104塔架
106转子
108叶片
110轮毂
112倾4斗轴线
202不可倾斜叶片段
204可倾斜叶片段
210叶根
215倾斜轴承位置 310倾斜轴承 320倾斜马达
具体实施例方式
在一些构造中并参照图l，风力涡轮机100包括容纳发电 机(图1中未示出)的短舱102。短舱102安装在高塔架104的顶上，图 1中仅示出了该高塔架104的一部分。风力涡轮机100还包括转子106， 该转子106包括附装在旋转的轮毂IIO上的多个转子叶片108。尽管 图1中所示的风力涡轮机IOO包括三个转子叶片108，但对于本发明 所要求的转子叶片108的数量没有具体限制。 图示构造中的风力涡轮机100的各种构件容纳在短艙 102内，短舱102位于风力涡轮机100的塔架104顶上。塔架104的 高度基于本领域已知的因素和条件选择。在一些构造中，包括控制系 统的一个或多个微控制器用于总体的系统监视和控制，包括倾斜和速 度调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵送马达应用以及故障监一见。 在一些构造中也可以采用备选的分布式或集中式控制架构。在一些构 造中能够单独地控制叶片108的倾斜，使得各叶片108的部分均构造 成绕各自的倾斜轴线112旋转。倾斜轴线112基本上平行于叶片108 的翼展。轮毂110与叶片108共同构成了风力涡轮机转子106。转子106的旋转使发电机(图中未示出)产生电力。 在本发明的一些构造中并参照图1、图2以及图3,叶片 108可以包括能够分开装运的多个段，将多个段在一个集装箱内装运
之间的差异。 例如，叶片108的一些构造包括两个^:,即第一不可倾 斜段202和第二可倾斜段204。与段204相比，第一段202保持固定， 段204能够绕倾斜轴线112旋转。在一些实施例中，段202和/或可倾 斜段204会包括多个段即叶片板(bladepanel)。例如，可倾斜段204和 /或不可倾斜段202可包括六个单独的段，它们能够连接起来以形成一 个整体的可倾斜叶片段。可组合任何数量的子段以形成完整的叶片或 叶片段(例如段202或段204)。在一些应用中，给单独的叶片子段设置 尺寸对便于叶片108的装运可能是有利的。例如，完全组装好的叶片 长度可为40至60米，这导致可能难以运输的大而笨重的零件(item)。 若将叶片分成4段，各段将为约IO米至约15米，而该减小的长度极 大地方便了叶片108的装运和运输。 在一些构造中，在距叶根210选定的距离处(例如从约5% 至约40%)将叶片108分开。在这些构造中，不可倾斜段202包括从叶 根210开始的组装好的叶片108的长度的从约5%至约40%，而可倾 斜段204包括剩余长度。叶片108可在选定的距离处被分开的更优选 的范围为约5%至约30%。在其它实施例中，可在约最大翼弦处将叶 片108分开。最大翼弦定义为在叶片最宽处的点，并参照图2,这将 是在图示的南北方向上最宽的部分。在一些构造中，不可倾斜叶片段 202能够以固定的方式附装到轮毂110上(以便不相对于可倾斜段旋转 或移动)，或者机械联接到轮毂IIO上(例如通过胶合，螺栓联接，附着 到框架上，或以其它方式附于其上)。在其它实施例中，不可倾斜)殳202 可附装到鼻锥或轮毂110上，或作为鼻锥或轮毂110的一部分制造。
该不可倾斜叶片段202可以被附到轮毂110上，并可在其任意一端具有倾斜轴承(pitch bearing)。叶片108可由任意适当的材 料制造，这些材料包括但不限于铝、金属合金、玻璃复合材料、层压 木板、碳复合材料或碳化纤维。在一个实施例中，倾斜轴承可位于不 可倾斜叶片段202与可倾斜叶片段204之间的界面处。在图2中倾斜 轴承的该位置由箭头215指示。将倾斜轴承定位在远离轮毂110的位 置是有优势的。随着倾斜轴承沿叶片108径向地向外移动，倾斜轴承 受到的载荷减小。例如，倾斜轴承可以沿叶片108径向地向外地定位 在叶片翼展的约30%的距离处。该位置减小了由倾斜轴承支承的叶片 段的重量，并且还减小了在倾斜轴承处的弯矩。可在该位置处使用较 小的倾斜轴承导致更低的成本和减小的重量。另一优点是，由于需要 驱动较小的质量的事实，可在倾斜系统中采用较小的倾斜马达。较小 的质量还允许对于整个倾斜系统的更快的响应时间。更快的响应允许 叶片被更快速地倾斜以响应改变的风力状况。该更快的响应时间的另 一结果是改善的能量捕获。图3示出了根据本发明的一个实施例的风力涡轮机叶片 108。倾斜轴承310将不可倾斜叶片段202连接到可倾斜叶片段204 上。倾斜马达320可以基本上定位于不可倾斜段202内(如图所示)或 基本上定位于可倾斜段204内。该倾斜马达320连接在倾斜轴承上并 起到使段204绕倾斜轴线112旋转的作用。与可旋转的即可倾斜的叶 片段204相比较，叶片段202不倾斜并保持固定。典型地，风力涡轮 机叶片可以增量(例如从0 ~ 90度的一度增量)倾斜或旋转。90度倾斜 可用来使转子空转或停转。当叶片段204倾斜至90度时，由风提供 的升力减少至不足以转动转子的点。在风力涡轮机需要维修或在过高 风力条件期间，可使用此平桨(feather)状态。图3示出了放置在叶片翼展的约20%处的倾斜轴承310， 然而，倾斜轴承可定位于叶片翼展的约5 %至约40 %之间。更优选的 范围会是将该倾斜轴承以及不可倾斜段202与可倾斜段204之间的界 面定位于叶片翼展的约5%至约30%处。在其它实施例中，倾斜轴承
8310可定位于最大翼弦处(即，叶片108的翼弦尺寸最大的位置)。 在超高风速期间(例如风暴期间)，叶片典型地倾斜至平 浆。在以前的叶片设计中，整个叶片都被倾斜，而这有时导致叶片和 倾斜轴承承受非常大的载荷。如同本发明的实施例所提议的，倾斜减 少的叶片面积，而由不可倾斜段202构成的剩余叶片部分保持固定或 未倾斜。该未倾斜段202承受较小的风暴载荷，并帮助使大风的部分 绕短舱102转移。如同本发明的各方面所提供的，在可倾斜叶片段 204(倾斜至平浆)为空气动力效率低下期间，转子106承受减小的风暴 载荷并防止转子转动。 叶片段202和204可以使用金属合金、玻璃复合材料、 层压木板、碳复合材料、碳化纤维和/或其它结构材料构造。在使用它 的一些构造中，通过限制转子叶片108的外部部件(即暴露于自然环境 的这些部分)使用碳化纤维，获得了极好的经济性，其中碳化纤维提供 了每磅最大的静力矩降低。该限制还避免了转子叶片中碳与玻璃之间 的复杂过渡，并允许单独的翼梁缘条长度比否则必需的长度短。该限 制还可以提高制造质量。多段式叶片108的另一优势在于，在转子106 的开发和使用期间，可使用或实验不同的选择。 如同本发明各方面所提供的，总体的轮毂设计可得以简 化。固定(不可倾斜)叶片段202不要求位于轮毂110内的倾斜轴承， 并因此不要求连接到轮毂110上的圆形截面区域。连接到轮毂110上 的叶片202的区域可为任何所需的形状或构造。叶片段202还可与 轮毂110—体地形成或形成为4仑毂110的独立部件。在一个实施例中， 风力涡轮机100的轮毂110和低速轴(或主轴)可以制造为一个部件。 这使得能够消除典型的螺栓连接的低速轴/轮毂110连接。叶片段202 的轮廓可以被完整地延伸到轮毂/轴的连接法兰上。另一个优点是，由 于该段保持固定且不倾斜的事实，可向叶片段202提供较宽的叶片轮 廓。该非倾斜段可以具有较大的翼弦尺寸，而不用担心干涉或接触其 它风力涡轮机构件(例如短抢102或塔架104)。
虽然已经根据各种具体实施例描述了本发明，但是本领 域的技术人员将会认识到，可在权利要求的精神和范围内以变型实施 本发明。
权利要求
1. 一种用于风力涡轮机的多段式叶片(108)，包括至少一个不可倾斜段(202)，所述至少一个不可倾斜段构造成被固定到所述风力涡轮机的轮毂上；至少一个可倾斜段(204)，所述至少一个可倾斜段构造成被绕倾斜轴线(112)旋转，所述倾斜轴线(112)定向成基本上平行于所述多段式叶片的翼展；倾斜轴承(310)；以及倾斜马达(320)，其中，所述倾斜轴承(310)和所述倾斜马达(320)定位于所述多段式叶片(108)内，并靠近所述至少一个不可倾斜段(202)与所述至少一个可倾斜段(204)的界面。
2. 根据权利要求1所述的多段式叶片，其特征在于，所述至少 一个不可倾斜段(202)构造成在形状上为基本上空气动力学的形状，并 给所述多段式叶片提供升力。
3. 根据权利要求1所述的多段式叶片，其特征在于，通过所述 倾斜轴承(310)，将所述至少一个不可倾斜^殳(202)连接到所述至少一个 可倾斜段204上。
4. 根据权利要求3所述的多段式叶片，其特征在于，所述倾斜 马达(320)基本上被包含在所述至少一个不可倾斜段(202)内。
5. 根据权利要求3所述的多段式叶片，其特征在于，所述倾斜 马达(320)基本上被包含在所述至少一个可倾斜段(204)内。
6. 根据权利要求1所述的多段式叶片，其特征在于，所述至少 一个不可倾斜段(202)为组装好的叶片的翼展长度的约5%至约40%之 间。
7. —种具有至少一个多段式叶片(108)的风力涡轮机，包括 轮毂(IIO)，其与低速轴一体地形成；至少一个不可倾斜叶片段(202),其构造成被固定到所述风力涡轮 机的所述轮毂上；至少一个可倾斜叶片段(204),其构造成被绕倾斜轴线(112)旋转， 所述倾斜轴线定向成基本上平行于所述多段式叶片的翼展；倾斜装置(310， 320),其用于使所述至少一个可倾斜段绕所述倾斜 轴线旋转；其中，所述倾斜装置(310，320)定位于所述多段式叶片内，并靠近 所述至少一个不可倾斜叶片段(202)与所述至少一个可倾斜叶片段 (204)的界面。
8. 根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少 一个不可倾斜叶片段(202)构造成在形状上为基本上空气动力学的形 状，并给所述多段式叶片提供升力。
9. 根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述倾斜 装置包括至少 一个倾斜轴承(3 IO)和至少 一个倾斜马达(320)。
10. 根据权利要求9所述的风力涡轮机，其特征在于，所述至少 一个倾斜轴承(310)构造成将所述至少一个不可倾斜叶片段(202)连接 到所述至少 一个可倾斜叶片段(204)上。
全文摘要
本发明涉及多段式风力涡轮机转子叶片及结合该叶片的风力涡轮机，具体而言，提供了一种用于风力涡轮机的多段式叶片(108)，其包括至少一个不可倾斜段(202)和至少一个可倾斜段(204)。该不可倾斜段(202)构造成被固定到风力涡轮机的轮毂(110)上。该可倾斜段(204)构造成被绕倾斜轴线(112)旋转，该倾斜轴线(112)基本上平行于该多段式叶片的翼展。倾斜轴承(310)和倾斜马达(320)定位于叶片内，并靠近不可倾斜段(202)与可倾斜段(204)的界面。
文档编号F03D1/06GK101451491SQ20081018637
公开日2009年6月10日 申请日期2008年12月5日 优先权日2007年12月6日
发明者H·A·肖尔特-瓦辛克 申请人:通用电气公司